电磁场与波（第3版）

随着信息时代的到来，电磁场理论的应用日益普遍，“电磁场”课程已成为电子信息类专业大学生必修的一门专业基础课。本书是在获得上海市优秀教材奖的“八五”规划教材《电磁场理论基础》［8］的基础上，结合教学体会，为适应新世纪科技与教育的新发展而重新编写的。适用于“电磁场理论基础”“电磁场与电磁波”等课程60~80学时的教学。

本书主要特色是： 

(1) 起点较低，由浅入深，化难为易。在第1章“矢量分析”中，比较系统地介绍了有关矢量分析的基本知识。为照顾这方面知识尚少的读者，补充了一些推导与定理的证明，并对坐标变换和场论运算给出了更详细的说明。对平面电磁波的运算引入了较方便的简化算法，又引入了相位匹配条件，便于处理反、折射的相位关系等。为避免手写时混淆，在矢量符号上加短横线，而不再采用黑体印刷。并对有些
章节，或其他较广、较深的内容，加注“*”号，便于读者取舍。

(2) 由一般到特殊，加深理解，增大时变场篇幅。与传统的由静态场到时变场的“综合法”叙述方式不同，本书采用“演绎法”处理。先介绍描述一般矢量场特性的亥姆霍兹定理，以此为基础引出麦克斯韦方程组，然后依次讨论它对静电场、恒定电场和恒定磁场及时谐场的应用。通过反复运用，加深理解，并节省了静态场学时，增大了时变场篇幅。

(3) 增加了绪论，增强举例，联系实际。绪论中，通过两幅图阐述了本课程的意义。书中引用了亚洲通信卫星、国际通信卫星等实例，又有光纤通信介绍、隐形飞机进展、电离层传播的简化分析、电磁波对人体的热效应、水下通信、微波炉、微带天线实例、天线罩与架空输电线分析等。每章都有大量例题与习题。
书末有内容丰富的附录。

(4) 理论严谨，启发创新，图文并茂。书中不但深入讨论了麦克斯韦方程组，强调其普遍指导意义，也指出它是相对真理； 
给出了广义麦克斯韦方程组和对偶原理及等效性原理、互易定理等。从麦氏方程的导出和对赫兹发明的补充说明，到介绍笔者亲历的科研进展等，不少内容都着意于启发创新。增添了一些阐述原理的图，又加了不少应用举例图。特别是，利用计算机技术改进了插图的质量，添加了三维图。光盘中还有动态的电磁波辐射过程、对称振子方向图随其臂长的变化及平面波的反射的形象演示。

(5) 作为教学改革的一项尝试，本书还增加了具有特色的第9章“天线基础”，既可作为新课程“电磁场与天线基础”的教材，又可供感兴趣的读者自学参考。

本书的编写得到上海大学课程建设基金的赞助和通信与信息工程学院领导的热情支持。编写过程中又得到钮茂德、杨雪霞
、谢亚楠和方捻教授等同事的支持和帮助，梁仙灵、姚凤薇
和韩荣芲博士及刘静等研究生
描绘了全部插图，姚凤薇打印了第1章原稿。本书配有电子教案及习题解答，相关内容是在解放军电子工程学院张建华教授和中国海洋大学延晓荣教授的协助下完成的。在此一并向他们表示衷心的感谢！并向本书引用的参考文献的作者们致以敬意。同时，深切缅怀敬爱的老师、中国科学院前院士毕德显教授，深切缅怀敬爱的导师、
美国工程院前院士罗远祉教授（见图01）和中国天线学会首届主任委员茅于宽教授（见图02居中白发者），衷心感谢敬爱的导师、美国工程院院士Akira Ishimaru(石丸昭）教授（见图03）。

图01罗远祉教授和夫人来华访问（1989年）

图02黄山迎客松旁合影（2007年）

作者简介

图03华盛顿大学Ishimaru教授办公室留影（美国西雅图，1981年）

鉴于笔者学识和水平有限，差错和不当之处在所难免，敬请读者不吝指正。

钟顺时2024年1月

本书系统地阐述了宏观电磁场和电磁波的基本规律、基本计算方法及其应用。全书共分8章：矢量分析电磁场，基本方程静电场及其边界问题的解法，恒定电场和恒定磁场，变电磁场和平面电磁波，平面电磁波的反射与折射，电磁波的辐射与散射及导型电磁波等。本书力求内容精炼，概念清晰，注重时间性和信息性。全书由浅入深，通俗易懂，图文并茂，便于自学。本书可供大学本科生电子信息类专业作为电磁场理论基础、电磁场与电磁波、电磁场与无线基础等课程的教科书，也可供科技人员作为自学读本或参考书。

钟顺时,1939年生，浙江瑞安人，现任上海大学通信与信息工程学院教授、博士生导师，中国电子学会会士，国际电气电子工程师学会（IEEE）高级会员，美国纽约科学院院士。

绪论

第1章矢量分析

1.1矢量代数

1.1.1矢量表示法与和差运算

1.1.2矢量的乘法

1.1.3三重积

1.2矢量场的通量与散度及散度定理

1.2.1矢量场的通量

1.2.2散度的定义与运算

1.2.3散度定理

1.3矢量场的环量、旋度及斯托克斯
定理

1.3.1矢量场的环量

1.3.2旋度的定义与运算

1.3.3斯托克斯定理

1.3.4无散场与无旋场

1.4标量场的方向导数与梯度及格林
定理

1.4.1标量场的方向导数与梯度

1.4.2格林定理

1.5亥姆霍兹定理

1.5.1散度和旋度的比较

1.5.2亥姆霍兹定理

1.6曲面坐标系

1.6.1圆柱坐标系

1.6.2球面坐标系

1.6.3三种坐标系的变换

1.6.4场论运算公式

习题

第2章电磁场基本方程

2.1静态电磁场的基本定律和基本场
矢量

2.1.1库仑定律和电场强度

2.1.2电力线方程和等位面方程

2.1.3高斯定理与电通密度

2.1.4电流密度与电荷守恒定律

2.1.5焦耳定律

2.1.6毕奥萨伐定律与磁通密度

2.1.7磁通连续性原理与安培环路定律
及磁场强度

2.2法拉第电磁感应定律和全电流
定律

2.2.1法拉第电磁感应定律

2.2.2位移电流和全电流定律

2.2.3全电流连续性原理

2.3麦克斯韦方程组

2.3.1麦克斯韦方程组的微分形式与
积分形式

2.3.2本构关系和波动方程

2.3.3电磁场的位函数

2.4电磁场的边界条件

2.4.1一般情形

2.4.2两种常见情形

2.5坡印廷定理和坡印廷矢量

2.5.1坡印廷定理的推导和意义

2.5.2坡印廷矢量

2.5.3场与路的一些对应关系

2.6唯一性定理

习题

第3章静电场及其边值问题的解法

3.1静电场基本方程与电位方程

3.1.1静电场基本方程

3.1.2电位定义

3.1.3电位方程

*3.2静电场中的介质

3.2.1介质的极化

3.2.2介质中的高斯定理与相对介
电常数

3.3静电场中的导体与电容

3.3.1静电场中的导体

3.3.2电容

*3.3.3导体系的部分电容

3.4静电场的能量和电场力

3.4.1静电场的能量

3.4.2用场量表示的电场能量

3.4.3电场力

3.4.4静电场的应用

3.5静电场的边界条件

3.5.1和的边界条件

3.5.2电位的边界条件

3.6静电场边值问题与镜像法

3.6.1静电场边值问题

3.6.2静电场唯一性定理

3.6.3镜像法

3.7分离变量法

3.7.1直角坐标系中的分离
变量法

*3.7.2圆柱坐标系中的分离
变量法

3.8有限差分法

3.8.1差分表示式

3.8.2差分方程的数值解法

习题

第4章恒定电场和恒定磁场

4.1恒定电场

4.1.1恒定电场的基本方程

4.1.2恒定电场的边界条件

4.1.3静电比拟法

4.2恒定磁场的基本方程和边界
条件

4.2.1恒定磁场的基本方程

4.2.2恒定磁场的边界条件

4.3恒定磁场的矢量磁位

4.3.1磁矢位的定义与方程

4.3.2的微分方程与积分表
示式

*4.3.3的边界条件

4.4电感

4.4.1自感

4.4.2互感

*4.5恒定磁场的能量和磁场力

4.5.1恒定磁场的能量

4.5.2磁场力

习题

第5章时变电磁场和平面电磁波

5.1时谐电磁场的复数表示

5.1.1复数

5.1.2复矢量

5.2复数形式的麦克斯韦方程组

5.2.1复数形式的麦氏方程组

5.2.2复数形式的波动方程和边界
条件

5.3复坡印廷矢量和复坡印廷定理

5.3.1复坡印廷矢量

5.3.2复坡印廷定理

5.4理想介质中的平面波

5.4.1平面波的电磁场

5.4.2平面波的传播特性

5.4.3电磁波谱

5.5导电媒质中的平面波

5.5.1导电媒质的分类

5.5.2平面波在导电媒质中的传播
特性，相速与群速

5.5.3平面波在良导体中的传播特性
及集肤深度和表面电阻

*5.5.4电磁波对人体的热效应

*5.6等离子体中的平面波

5.6.1等离子体的等效介电常数

5.6.2平面波在等离子体中的传播
特性

5.7电磁波的极化

5.7.1线极化

5.7.2圆极化

5.7.3椭圆极化

5.7.4圆极化波的应用

习题

第6章平面电磁波的反射与折射

6.1平面波对平面边界的垂直入射

6.1.1对理想导体的垂直入射

6.1.2对理想介质的垂直入射

*6.1.3对多层边界的垂直入射

6.2平面波对理想导体的斜入射

6.2.1沿任意方向传播的平面波

6.2.2垂直极化波对理想导体的斜
入射与快波

6.2.3平行极化波对理想导体的斜
入射

6.3平面波对理想介质的斜入射

6.3.1相位匹配条件和斯奈尔
定律

6.3.2菲涅耳公式

6.4全折射和全反射

6.4.1全折射

6.4.2全反射与慢波

6.4.3光纤通信

习题

第7章导行电磁波

7.1传输线中的导行电磁波

7.1.1纵向场法

7.1.2导行波的分类

7.2矩形波导及谐振腔

7.2.1TE波和TM波的电磁场
分量

7.2.2TE波和TM波的传播特性

7.2.3TE10波

7.2.4谐振腔

7.3同轴线

7.3.1同轴线的传输特性

*7.3.2同轴线的高次模

7.4微带线

7.4.1微带线的传输模式

7.4.2微带线的准静态特性参量

7.5双导线

7.5.1传输线方程及其解

7.5.2传播常数和特性阻抗

7.6端接负载的无耗传输线

7.6.1端接任意负载阻抗的无耗
长线

7.6.2几种典型情形

7.7史密斯圆图与阻抗匹配

7.7.1史密斯圆图

7.7.2传输线匹配的意义

7.7.3传输线的阻抗匹配

习题

第8章电磁波的辐射与散射

8.1时谐电磁场的位函数

8.1.1时谐场位函数的定义与
方程

8.1.2时谐场位函数的求解与格林
函数

8.2电流元的辐射

8.2.1定义与其电磁场

8.2.2近区场

8.2.3远区场

8.2.4辐射方向图

8.2.5辐射功率和辐射电阻

8.3对偶原理及磁流元的辐射

8.3.1广义麦克斯韦方程组与对偶
原理

8.3.2磁流元和小电流环的辐射

8.4等效原理与惠更斯元的辐射

8.4.1等效原理

8.4.2惠更斯元的辐射

8.5电磁波的散射

8.5.1散射场定义与瑞利散利

8.5.2雷达散射截面

习题

第9章天线基础

9.1天线的功能与分类

9.1.1天线的功能

9.1.2天线的分类

9.2天线电参数和传输方程

9.2.1方向系数

9.2.2辐射效率和增益

9.2.3输入阻抗与带宽

9.2.4有效面积与传输方程

9.3对称振子

9.3.1对称振子的电流分布和远
区场

9.3.2对称振子的方向图、辐射电阻
和方向系数

9.3.3对称振子的输入阻抗

9.4天线阵

9.4.1二元边射阵与方向图乘积
定理

9.4.2端射阵

9.4.3N元边射阵

9.5微带天线

9.5.1引言

9.5.2微带天线工作原理

*9.5.3微带贴片天线分析

9.6抛物面天线

9.6.1抛物面的几何关系和几何光学
特性

*9.6.2口径天线的辐射场和方向性

*9.6.3抛物面天线的方向图和方向
系数

9.7互易定理与天线方向图的测试

9.7.1互易定理的一般形式

9.7.2收发天线方向图的互易性与
方向图的测试

习题

附录

参考文献

本书系统地阐述了宏观电磁场和电磁波的基本规律、基本计算方法及其应用。全书共分8章：矢量分析电磁场，基本方程静电场及其边界问题的解法，恒定电场和恒定磁场，变电磁场和平面电磁波，平面电磁波的反射与折射，电磁波的辐射与散射及导型电磁波等。本书力求内容精炼，概念清晰，注重时间性和信息性。全书由浅入深，通俗易懂，图文并茂，便于自学。本书可供大学本科生电子信息类专业作为电磁场理论基础、电磁场与电磁波、电磁场与无线基础等课程的教科书，也可供科技人员作为自学读本或参考书。

钟顺时,1939年生，浙江瑞安人，现任上海大学通信与信息工程学院教授、博士生导师，中国电子学会会士，国际电气电子工程师学会（IEEE）高级会员，美国纽约科学院院士。